基于典型路況車身加速度提取及其影響因素分析

鄒喜紅，柳春林，羅 洋，劉 瑜，王瑞東，程凱華

（重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

試驗場路面由多種不同幾何特征和材料特征的路面組成，每種路面相當于車輛系統的不同輸入，經過車輪-車身后得到不同的響應，這種激勵方式可以考察不同車身零部件或車身結構的不同特性。

汽車載荷譜是汽車扭矩、應變與加速度等車輛信息與路面隨時間變化的時域歷程，是車輛實際行駛條件的綜合反映。當前載荷譜主要應用于CAE驗證、疲勞分析和臺架試驗，載荷譜作為最真實的實車信號，可以為汽車初始設計提供很好的設計參數，如何挖掘出這些信息尤為重要。

當前對于新車設計通常先采用一般經驗值，經過反復的試驗-試制-試驗-試制過程確定最佳的參數設計，耗時長成本高。通過找到不同汽車之間的聯系，從已有車輛數據為新車開發得到參考，將大幅縮短開發時間，同時為新車性能和使用載荷的選取提供依據。

1 載荷譜的采集

方案安排4臺前置前驅的乘用車在試驗場按規范采集試驗，加速度傳感器的布置點分別為車身4個車輪輪轂包上方正中間位置。剩余采集通道有驅動前橋左右半軸兩個扭矩信號通道，GPS采集儀車速、經度、緯度、海拔四個信號通道，邏輯開關信號。為了監控行駛車輛狀態，以變速器左右輸出軸的扭矩作為轉向依據，GPS作為地理位置依據，邏輯開關輔助判斷典型工況時間起始點。載荷譜采集系統組建如圖1。

圖1 采集系統組建

系統布置主要遵循以下幾條原則[6]：

（1）測試采集工況運行準確，載荷譜數據真實有效；

（2）傳感器布置位置準確；

（3）粘貼布置牢靠，能夠長期試驗；

（4）走線安裝和試驗車各運動部分不發生干涉。

載荷譜試驗規范包括強化路采集規范和穩態工況采集規范，其中詳細規定了車輛行駛路面、路面順序、對應路面速度、油門踏板、剎車狀態，駕駛員只需要依據試驗規范在規定的路面按試驗規范控制速度和油門開度就能完成數據采集。試驗場不同的典型路面考核車輛在不同用戶用途路面的疲勞壽命和可靠性，為保證采集載荷譜數據的準確性，試驗聘用3名經驗豐富的司機依據規范進行。強化路采集載荷譜如圖2。

2 典型路面車身加速度提取及均方根計算

2.1 車身加速度提取

試驗場路面信號采集依據試驗規范連續進行，依次采集強化路、綜合路多個工況，采集過程不能中斷。試驗場路面是真實用戶用途道路提取、連接、強化的面積小而工況齊全的典型路面，同時，強化路作為試驗場路面的一部分，面積較小、路面集中，每段路面行駛距離短。還有一部分時域信號特征、路面起始點、路面結束點不易區分的路面，如規則長波路、不規則長波路、右側傾斜路、住宅路ABS路等路面特征，ABS路、坑洼路A、坑洼路B、鐵軌路、彈跳坑等起始點和結束點不易區分。這些部分都給時域信號提取帶來困難。

本文采用GPS信號結合邏輯開關信號判斷各路面區域。GPS信號包括經度、緯度、海拔和車速信號，邏輯開關能準確地分出每一種路面，缺點是不能精準地捕捉路面開始和結束的時間，但結合速度信號和試驗規范后可以彌補缺陷。此次共提取各路面的車身懸置前Z方向載荷譜的比利時路、大石鋪裝路、振動路1、振動路2、振動路3、坑洼路A、坑洼路B、車身扭轉路、卵石路、接縫路、彈跳坑、路緣沖擊路、碎石路等多種時域信號，各路面信號特征示例如下圖3－圖5。

圖2 試驗場強化路采集載荷譜

圖3 沖擊路、坑洼路A、坑洼路B、彈跳坑、接縫路

2.2 加速度均方根值計算

路面時域載荷特征包括最大值、最小值、均值、標準差、均方根值。最大值、最小值和極值描述載荷范圍，均值表現載荷分布集中趨勢，標準差反映載荷譜相對平均值的偏離程度，均方根值描述激勵對響應作用的有效性，均方根值越大，說明路面激勵對測點作用越大。加速度均方根值能描述不同路面單位時間平均振動能量大小，可以較為直觀地反映載荷譜特征。實車采集載荷信號是一種隨機的有限時間間隔的信號，這樣的信號總是能量有限且不為零，對于能量有限的信號為能量信號。

圖4 扭轉路、比利時路、大石路、卵石路

圖5 碎石路、振動路1、振動路2、振動路3

實車采集離散隨機信號f(x)采樣N次，能量E

該段信號的平均功率

離散點均方根值的定義式

圖6 車輪-車身雙質量振動模型

汽車路面行駛過程的隨機振動中，振動加速度去正負值的概率基本相等，因此其均值近似為零，由均值、標準差、均方根的定義式可知

結合式（7）、式（8）式得到

當以白噪聲路面速度輸入均方根譜計算車身加速度均方根時得到

式（3）是加速度均方根值的計算式，從式子中看出，加速度均方根值反映單位時間內載荷譜平均振動能量，能量表征試驗場整條試驗路對車輛載荷譜振動做功的大小，平均功率表征單位時間內路面對車輛載荷譜振動能量大小。

3 加速度影響因素分析

實際路面載荷譜與駕駛員習慣、氣候、溫度、路面、實際行駛速度、車輛載荷、懸置方式、測點結構等息息相關，而實際行駛速度、車輛載荷和懸置方式對路面載荷特征影響尤為明顯，如根據文獻[1]中的研究結果，3點懸置比4點懸置極限載荷較大，速度和載荷對載荷譜的影響根據路面輸入和車身響應分析。

如圖6車身和車輪的雙質量振動模型，將汽車車身-車輪振動系統近似為線性系統，路面只經過1個車輪對系統輸入時，振動響應的功率譜密度對路面輸入的功率譜密度有如下簡單關系[2，7]

其中:是車身振動加速度響應，是路面不平度速度輸入。

同時車身加速度與車輪速度幅頻特性用如下公式表示

式（7）和式（8）代入式（6）可得下式

車身加速度與車輪速度幅頻特性由雙質量系統的傳遞特性

其中：

其中u是汽車行駛車速，n0是路面空間頻率，Gq(n0)是參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數，μ為車身與車輪質量比，γ為剛度比，λ為頻率比，ζ為阻尼比。

根據式（11）可以看出車身加速度均方根值與路面不平度Gq(n0)、車速u都成正比關系。Δ和λ都與車輛載荷有關，可以肯定的是均方根值也一定受車輛載荷影響，但是由于公式復雜難以分析出變化趨勢。

3.1 速度對加速度均方根值影響

為了分析試驗車行駛速度對加速度均方根值的影響，試驗制定了汽車穩態行駛工況的方案，試驗車需要以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h和60 km/h分別在同一平直的路面上勻速行駛一段距離。圖7共采集了3個相同樣本，截取每段勻速行駛狀態下車身加速度信號并計算得到加速度均方根值，其中截取的數據長度盡可能長以使數據準確。

3個樣本采集重復性較好，以各速度下的加速度均方根值的平均值擬合曲線，擬合函數為y=0.009x+0.035，確定系數為0.984。圖7看出，當車速增加時，加速度均方根也隨之增加，這一關系和式（11）中的變化趨勢一致，擬合效果約以0.009的線性斜率隨速度變化。

3.2 路面對加速度均方根值影響

試驗按強化路行駛規范在多種強化路面上采集了4臺車的載荷譜數據。對每輛汽車分別采集3個樣本，均方根值取3個樣本平均值，降低司機操作失誤和其他一些偶然誤差。計算得到了強化路和普通路的均方根值及其相對值。普通路是強化路連接路段的水泥輔路部分，以30 km/h速度行駛，代表最為典型和使用最多的實際行駛工況。

將各路面的有效值繪制柱狀圖如圖8－圖11，振動路2，振動路3，振動路1，沖擊路，坑洼路B，卵石路，比利時路，坑洼路A，大石路，彈跳坑加速度均方根依序減小。振動路2取值0.38 g～0.56 g，振動路3取值0.35 g～0.52 g，振動路1取值0.34 g～0.43 g，沖擊路取值0.24 g～0.41 g，坑洼路B取值0.25 g～0.37 g，卵石路取值0.18 g～0.31 g，比利時路取值0.17 g～0.31 g，坑洼路A取值0.19 g～0.28 g，大石路取值0.11 g～0.19 g，彈跳坑取值0.10 g～0.16 g。

表1 不同路面加速度均方根值/g

圖8 車1在不同典型路面加速度均方根值

圖9 車2在不同典型路面加速度均方根值

圖10 車3在不同典型路面加速度均方根值

圖11 車4在不同典型路面加速度均方根值

為了更好的分析和表征試驗路面的加速度均方根值，以強化路面均方根值與普通路均方根值之比得到了各路面加速度均方根相對值。相對值表示試驗車在典型路面以30 km/h勻速行駛時，相對普通水泥路的振動加速度均方根。

表2 不同路面加速度相對值

其代表最為典型和使用最多的實際行駛工況。典型路面加速度均方根值相對值概念的提出，根據和駕駛員使用頻率最高的工況對比，可以對典型路面的振動情況進行更加直觀的分析和了解。

振動路2，振動路3，振動路1，沖擊路，坑洼路B、卵石路、比利時路坑洼路A，大石路，彈跳坑加速度均方根相對30 km/h行駛在普通水泥路的值同樣依序減小。振動路2取值7.7～10.4，振動路3取值7.1～9.7，振動路1取值6.9～8.1，沖擊路取值4.9～7.6，坑洼路B取值5.0～7.0，卵石路取值3.7～5.6，比利時路取值3.5～5.1，坑洼路A取值3.8～5.1，大石路取值2.2～3.4，彈跳坑取值2.0～3.0。

3.3 載荷對加速度均方根值的影響

為了考察載荷對加速度均方根值的影響，試驗時每輛車都配重到滿載工況，車1到車4試驗載荷依次增加，如表3。

表3 試驗車載荷信息

根據表1的均方根值、表2的均方根的相對值，結合表3的車輛載荷信息，在這幾種路面上，隨著載荷質量的增加，加速度均方根值減小，如圖12－圖14列舉了振動路3、卵石路、沖擊路的趨勢。

圖中看出，減小趨勢在低載荷時候變化較小，不太明顯，隨著載荷的增加，趨勢逐漸變大，變化明顯。這種變化不是受載荷的比例變化，可能受配重方式、懸架結構、材料參數的影響，但是加速度均方根變化總與載荷成負相關關系。

圖12 不同車輛在振動路3加速度均方根值

圖13 不同車輛在卵石路加速度均方根值

圖14 不同車輛在沖擊路加速度均方根值

4 結語

通過對載荷譜測試系統的搭建，完成了4輛前置前驅乘用車在試驗場強化路多種路面上的試驗，試驗按穩態試驗和強化路試驗規范進行并采集車身輪轂包加速度、半軸扭矩等其他輔助通道的載荷譜。提取各段路面數據進行統計分析后，計算了各路段加速度均方根的大小，并分析了部分因素對其的影響，為新車開發性能評價和使用載荷選取提供依據。

（1）加速度均方根和車輛行駛速度成約斜率為0.009的線性正關系。

（2）加速度均方根和路面種類相關，振動路2、振動路3、振動路1、沖擊路、坑洼路B、卵石路、比利時路、坑洼路A、大石路、彈跳坑加速度均方根和相對30 km/h行駛在普通水泥路的值依次減??；提出相對值概念，并計算得到了對應的取值和相對值。

（3）加速度均方根與車身載荷成負相關，隨載荷的增加而變小，這種變化在低載時變化不明顯，隨著載荷增加，趨勢愈加明顯。

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